Технические науки/2. Механика

Д. т. н. Тутанов С. К., к.т.н. Тутанов М. С.

Карагандинский государственный технический университет, Казахстан

Напряженно-деформированное состояние массива горных пород при взаимодействии крепи

Выемка пластов с неустойчивой кровлей связана с определенными трудностями, вызванными тем, что в зоне работы комбайна непосредственно в лаве и на концевых участках в местах зарубки комбайна не обеспечиваются допустимые по устойчивости нижних слоев площади обнажения кровли, вследствие чего происходит обрушение пород кровли, приводящие к длительным простоям очистного забоя.

С целью повышения эффективности работы механизированных комплексов имеется ряд направлений, среди которых необходимо отметить создание конструкций перекрытий с активными и выдвижными козырьками, позволяющими поддерживать обнаженную кровлю вслед за проходом комбайна.

Для обоснования конструктивных параметров механизированной крепи телескопическим козырьком проведено исследование напряженно-деформированного (НДС) массива вокруг очистного забоя.

Вынимаемая мощность пласта 1,8 м., основная кровля представлена песчаником мощностью 20 м. с пределом прочности на одноосное сжатие 45 Мпа, непосредственная кровля - слабым неустойчивым аргиллитом пределом прочности 10 Мпа и мощностью до 9 м., почва - алевролитом средней крепости с пределом прочности 20 Мпа и мощностью 1-8 м. Отработка пласта ведется на глубине 250 м., верхний слой отработан.

Рассматривается вертикальное сечение массива горных пород с очистным забоем. Деформацией вдоль очистного забоя можно пренебречь, и задача сводится к плоской. На данном этапе решение предусмотрено в упругой постановке вследствие сравнительно непродолжительного времени деформирования горных пород в окрестности очистного забоя при его подвигании. В качестве метода решения принимается численный метод конечных элементов (МКЭ). Для решения задачи моделируется характерные условия очистного забоя с механизированной крепью.

Задачей предусматривается в очистном забое с механизированной крепью исследование напряжений и деформаций с задвинутым, и после снятия стружки, выдвинутым телескопическим козырьком. Исследуется угольный массив впереди забоя, кровля над очистным забоем и пластом и почва пласта.

Анализ деформаций показывает, что впереди очистного забоя в пласте угля возникает область, в пределах которой горизонтальные деформации являются растягивающими. С удалением в глубь массива, а также к почве и кровле, они переходят в сжимающие. На рисунках а и б приводятся изолинии горизонтальных относительных деформаций e_х до и после выдвижения телескопического козырька в долях Е/gН.

Заштрихованной областью на рисунках показаны зоны растягивающих деформаций. Максимальные деформации растяжения образуются в угольном массиве у груди забоя составляют 1,2 Е/gН до и 1,4 после выдвижения телескопического козырька. Глубина распространения деформаций растяжения при исходном положении составляет около 0,7 m , при выемке стружки и выдвинутом козырьке - 0,8 m.

Таким образом, при работе очистного забоя существенное влияние на НДС массива оказывает процесс выемки угля, приводящий к появлению значительных по величине горизонтальных и вертикальных деформаций растяжения. Очевидно, что с целью избежания вывалов породы из призабойной части кровли в местах возможного образования продольных трещин («заколов»), необходимо применение конструкций перекрытий с выдвижными козырьками.

а)

б)

Рисунок 1 Изолинии горизонтальных относительных деформаций e_x: а - до и б - после выдвижения телескопического козырька